一种等离子喷涂制备钛-硅-碳复合涂层的方法

摘要

本发明为一种等离子喷涂制备钛‑硅‑碳复合涂层的方法。该方法包括以下步骤：按质量百分比称量原料粉，其中，55％～80％为Ti粉，10％～30％为Si粉，10％～15％为石墨粉；将原料粉与去离子水、凝胶、分散剂，搅拌后得到混合浆料；将混合浆料通过喷雾干燥法制备出团聚的复合粉体；将获得的喷涂喂料粉喷涂在粘结层上面，获得钛‑硅‑碳复合涂层，厚度为200～300μm。本发明得到的涂层硬度高、耐磨性好。

说明书

技术领域

本发明涉及一种喷涂涂层的制备方法，尤其涉及一种具有高硬度和高耐磨性的等离子喷涂涂层及其制备方法。

背景技术

TiC金属陶瓷具有高硬度和耐磨性，被广泛应用于结构材料的防护涂层，但单组元TiC涂层具有较大脆性倾向，在使用中易剥落，在高温环境中使用易产生裂纹，因此，材料工作者在TiC基体中添加金属(Ni、Mo和Fe等)或陶瓷相(TiN、TiCN、TiB等)来降低其脆性倾向，但金属相的添加会造成硬度下降，陶瓷相的添加存在热膨胀系数匹配难题。近年来，Ti-Si-C三元化合物(典型代表为Ti3SiC2)受到广泛关注，它既具有良好的金属特性(导电、导热、塑性和可加工性)，又具有陶瓷相的高熔点、耐腐蚀、抗高温氧化等，还具有层状结构，有助于降低材料的摩擦系数。目前，大多数研究主要集中在获得高纯度的Ti3SiC2相，然而纯Ti3SiC2的硬度远低于TiC或TiN等陶瓷层，一般不能单独使用，但可作为TiC涂层的韧性添加相。许晓静等利用激光熔覆的方式在钛合金表面制备出Ti-Si-C涂层，降低了摩擦系数。通常，激光熔覆层组织不均匀，易形成粗大凝固组织，不利于涂层性能的进一步改善。等离子喷涂(RPS)集等离子喷涂和自蔓延高温合成(SHS)技术于一体，利用高热值的放热反应自蔓延原位合成结构均匀的组织，本发明采用等离子喷涂Ti-Si-石墨团聚粉制备以TiC-Ti5Si3-Ti3SiC2复合涂层，利用Ti-Si相的高硬度增强，Ti3SiC2相的层状结构改善摩擦学性能。

发明内容

本发明的目的为针对现有技术的不足，提供了一种等离子喷涂制备钛-硅-碳复合涂层的方法。本发明采用Si粉作为硅源，石墨粉作为碳源，与Ti粉以不同比例进行机械混合均匀，加入一定比例的去离子水、分散剂和粘结剂进行机械搅拌获得混合浆料，通过喷雾干燥法造粒获得石墨和Si粉包覆的Ti-Si-石墨团聚粉，粒度合适，包覆均匀性好，非常适合作为等离子喷涂喂料，克服了传统直接机械混合带来的粉体不均匀性问题，有利于粉体在等离子喷涂过程中充分反应。

本发明的技术方案为：

一种等离子喷涂制备钛-硅-碳复合涂层的方法，包括以下步骤：

步骤一、按质量百分比称量原料粉，其中，55％～80％为Ti粉，10％～30％为Si粉，10％～15％为石墨粉；

步骤二、向称量好的原料粉中加入去离子水、凝胶、分散剂，机械搅拌3～5小时后得到混合浆料；

其中，所述步骤二中凝胶由水和羧甲基纤维素钠按100:1的比例混合制得，所用分散剂为PVP；质量比为原料粉：去离子水：凝胶＝2：2：1，加入的分散剂PVP质量为原料粉总质量的1％；

步骤三、将混合浆料通过喷雾干燥法制备出团聚的复合粉体；其中，喷雾造粒器的入口温度为260～290℃，出口温度为110～125℃；

步骤四、将团聚的复合粉体进行干燥、分筛，得到100目～300目的团聚颗粒，作为等离子喷涂喂料粉；

步骤五、对基体表面进行粗化处理并固定在工作台上；

步骤六、在粗化的基体表面预先喷涂Ni-10wt％Al自熔性合金粉末，得到厚度为50～120μm的粘结层；

步骤七、将步骤(4)中获得的喷涂喂料粉加入到等离子喷涂装置中，喷涂在粘结层上面，获得钛-硅-碳复合涂层，厚度为200～300μm。

所述步骤一中Ti粉的粒度为325目～500目，Si粉的粒度为2000～4000目，石墨粉的粒度为8000目～15000目。

所述步骤五中的基体粗化处理具体为：先用砂纸打磨，然后进行表面喷砂。

所述的基体具体为碳素钢。

所述步骤七中采用步骤四筛选的团聚粉作为喷涂喂料，利用等离子喷涂在基体表面制备钛硅碳涂层，其中，等离子喷涂工艺参数为：工作电压为55～75V，工作电流为400～500A，氩气流量为20～40L/min，氢气流量为20～30L/min，送粉速度为2～5L/min、喷涂距离为80～120mm，其中氩气同时作为送粉气和保护气。

本发明相对于现有技术的优点在于：

(1)本发明的Ti-Si-C涂层主要由TiC、Ti5Si3和Ti3SiC2组成，其中高硬TiC相为基体，Ti5Si3相作为复合增强相，Ti3SiC2作为增韧减磨相，涂层的硬度高、耐磨性好。

(2)采用等离子喷涂的高热值放热反应，自蔓延原位合成Ti-Si-C复合涂层，能获得比熔覆涂层更加均匀的组织，并且晶粒更加细小。

(3)本发明将Ti粉，Si粉和石墨粉通过机械搅拌和喷雾造粒方式获得团聚粉，有助于各元素粉在喷涂焰流中的充分反应，避免了金属Ti的残留。

(4)本发明中的团聚粉含有单质Si，熔点低于Ti和石墨，在喷涂过程中优先熔化或气化，一方面能避免原料粉的过度氧化，另一方面起到润湿和粘结作用，有助于提高涂层内部结构的致密性。

(5)本发明的涂层制备技术操作简单，生产效率高，涂层厚度易控制。

综上所述，本发明所制备Ti-Si-C金属陶瓷复合涂层，制得的等离子喷涂用粉末具有粒径大小统一均匀，球形度高，流动性强的特点，适宜等离子喷涂使用，并且制得的Ti-Si-C金属陶瓷复合涂层具有高的硬度，较好的耐磨性，和一定的抗高温氧化性，整个操作过程简单，简化了工艺流程，成本也相对较低。

附图说明

图1是本发明实施例1中喷雾造粒后粉体的SEM图；

图2是本发明实施例1中45#钢基体表面Ti-Si-C金属陶瓷复合涂层的XRD图谱；

图3是本发明实施例1中45#钢基体表面Ti-Si-C金属陶瓷复合涂层的表面SEM图；

图4是本发明实施例1中45#钢基体表面Ti-Si-C金属陶瓷复合涂层的截面SEM图；

图5是本发明实施例1、2中45#钢基体表面Ti-Si-C金属陶瓷复合涂层在HV0.2载荷下显微硬度平均值。

具体实施方式

下面结合附图实施例对本发明作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用

实施例1：

本实施例基于团聚粉改性利用反应等离子喷涂制备Ti-Si-C金属陶瓷复合涂层方法，包括以下步骤：

步骤一、按照Ti粉73.5wt％、硅粉14.3wt％、石墨粉12.2wt％分别称取原料，纯度均为99.9％；其中，Ti粉的粒度为325目～500目，Si粉的粒度为2000～4000目，石墨粉的粒度为8000目～15000目。

步骤二、向原料粉中加入去离子水和凝胶(凝胶是按照质量比水：羧基纤维素钠＝100：1混合而得。以下实施例中凝胶组成同)，再加入原料粉总质量的1％PVP为分散剂，进行混合，机械搅拌3h获得浆料；其中，质量比原始粉、去离子水，凝胶＝2：2：1；

步骤三、喷雾干燥：将混合浆料喷入干燥室内雾化，迅速干燥形成团聚颗粒，其中喷雾干燥器的入口温度为260℃，出口温度为110℃；

步骤四、利用筛子选出尺度在100目～300的团聚颗粒作为喷涂喂料；

步骤五、将45#钢基体用砂纸打磨干净，然后进行喷砂粗化处理；

步骤六、利用等离子喷涂在粗化的45号钢基体喷涂Ni-10wt％Al作为粘结层，厚度控制在50～120μm；

步骤七、再将筛选好的团聚复合粉体喂料喷涂在粘结层上，获得厚度为200～300μm的钛-硅-碳复合涂层。

所述的等离子喷涂参数为：工作电压为75V，工作电流为400A，氩气流量为30L/min，氢气流量为20L/min，送粉速度为2L/min、喷涂距离为100mm，其中采用氩气同时作为送粉气和保护气。

对上述制得的述喷雾造粒后粉体的如图1所示。可以看出经过喷雾造粒后，粉体团聚效果明显，基本呈现球形或椭球型，流动性较好。

对上述制得的45#钢基体表面Ti-Si-C金属陶瓷复合涂层的XRD图谱如图2所示。可以看出，主要物相为TiC和Ti5Si3，含有一定量的Ti3SiC2，未检测到单质物相，这说明本发明制备的团聚粉适合喷涂，并且反应充分。

对上述制得的45#钢基体表面Ti-Si-C金属陶瓷复合涂层的表面SEM图如图3所示。可以看出，涂层表面较为致密，存在少量孔洞，可通过改进工艺进一步提高致密度。

对上述制得的45#钢基体表面Ti-Si-C金属陶瓷复合涂层的截面SEM图如图4所示。可以看出，涂层由外侧灰色的Ti-Si-C涂层和内层白色的NiAl过渡层组成，Ti-Si-C涂层呈现明显的层片状结合，层与层之间的致密度较高。

对上述制得的45#钢基体表面Ti-Si-C金属陶瓷复合涂层用显微硬度仪进行硬度测试,如图5所示，本实施例中得到的涂层硬度平均均值为1054HV0.2。

实施例2：

本实施例基于团聚粉改性利用反应等离子喷涂制备Ti-Si-C金属陶瓷复合涂层方法，包括以下步骤：

步骤一、按照Ti粉64.5wt％、硅粉25wt％、石墨粉10.5wt％分别称取原料；

步骤二、另按照原始粉总质量、去离子水质量，凝胶质量比为2：2：1，加入原料粉总质量的1％PVP为分散剂，进行混合，机械搅拌3h获得浆料；

步骤三、喷雾干燥：将混合浆料喷入干燥室内雾化，迅速干燥形成团聚颗粒，其中喷雾干燥器的入口温度为260℃，出口温度为110℃；

步骤四、利用筛子选出尺度在100目～300的团聚颗粒作为喷涂喂料；

步骤五、将45#钢基体用砂纸打磨干净，然后进行喷砂粗化处理；

步骤六、利用等离子喷涂在粗化的45号钢基体喷涂Ni-10wt％Al作为粘结层，厚度控制在50～120μm；

步骤七、再将筛选好的团聚复合粉体喂料喷涂在粘结层上，获得厚度为200～300μm的钛-硅-碳复合涂层。

所述的等离子喷涂参数为：工作电压为75V，工作电流为400A，氩气流量为30L/min，氢气流量为20L/min，送粉速度为2L/min、喷涂距离为100mm，其中采用氩气同时作为送粉气和保护气。

对上述制得的述喷雾造粒后粉体的SEM图类似图1所示。可以看出经过喷雾造粒后，粉体团聚效果明显，基本呈现球形或椭球型，流动性较好，包覆效果明显。

对上述制得的45#钢基体表面Ti-Si-C金属陶瓷复合涂层的XRD图谱类似图2所示。可以看出，主相为TiC类物质外，Ti3SiC2、Ti5Si3的物相峰值也变得明显，峰值较高，说明反应较为充分。

对上述制得的45#钢基体表面Ti-Si-C金属陶瓷复合涂层的SEM图类似图3所示。可以看出，表面孔洞变小，孔洞数量有所减少，涂层质量有所提升。

对上述制得的45#钢基体表面Ti-Si-C金属陶瓷复合涂层的截面SEM图类似图4所示。可以看出，截面孔洞少而小，层与层结合致密，不同元素相互分布均匀。

对上述制得的45#钢基体表面Ti-Si-C金属陶瓷复合涂层用显微硬度仪进行硬度测试，为了对比起见，对实施例2中制得的45#钢基体表面Ti-Si-C金属陶瓷复合涂层与实施例1中所得涂层进行完全相同的实验。如图5所示，测得实施例2的涂层硬度平均值为1205HV0.2。

实施例3：

本实施例基于团聚粉改性利用反应等离子喷涂制备Ti-Si-C金属陶瓷复合涂层方法，包括以下步骤：

步骤一、按照Ti粉57wt％、硅粉30wt％、石墨粉13wt％分别称取原料；

步骤二、另按照原始粉总质量、去离子水质量，凝胶质量比为2：2：1，加入原料粉总质量的1％PVP为分散剂，进行混合，机械搅拌3h获得浆料；

步骤三、喷雾干燥：将混合浆料喷入干燥室内雾化，迅速干燥形成团聚颗粒，其中喷雾干燥器的入口温度为260℃，出口温度为110℃；

步骤四、利用筛子选出尺度在100目～300的团聚颗粒作为喷涂喂料；

步骤五、将45#钢基体用砂纸打磨干净，然后进行喷砂粗化处理；

步骤六、利用等离子喷涂在粗化的45号钢基体喷涂Ni-10wt％Al作为粘结层，厚度控制在50～120μm；

步骤七、再将筛选好的团聚复合粉体喂料喷涂在粘结层上，获得厚度为200～300μm的钛-硅-碳复合涂层。

对上述制得的述喷雾造粒后粉体的SEM图类似图1所示。可以看出，经过喷雾造粒后，粉体团聚，粉体有大量未被包覆单质Si。

对上述制得的45#钢基体表面Ti-Si-C金属陶瓷复合涂层的XRD图谱类似图2所示。可以看出，其他主项峰值降低，Ti5Si3相峰数量增多且峰值较高，说明随着Si含量提升，Ti5Si3相会逐渐增多其反应更加容易，而且检测结果发现Si单质的物相峰增强。

对上述制得的45#钢基体表面Ti-Si-C金属陶瓷复合涂层的SEM图类似图3所示。可以看出，表面较为致密，但是孔洞口径变小，数量却增多。

对上述制得的45#钢基体表面Ti-Si-C金属陶瓷复合涂层的截面SEM图类似图4所示。可以看出，截面致密度虽然较高，但孔洞再次增多，且孔洞较深较大，预计与Si在喷涂过程中的气化有关。

对上述制得的45#钢基体表面Ti-Si-C瓷复合涂层进行如实施例1中的显微硬度测试。结果显示其硬度平均均值为1236HV0.2。

以上所述的实施例对本发明的技术方案进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充或类似方式替代等，均应包含在本发明的保护范围之内。

本发明未尽事宜为公知技术。